Kovy

zakalíme. Ohřev se provádí buď plamenem nebo vysokofrekvenčně. Vysokofrekvenční ohřev se v průmyslu provádí velmi často. Př. při kalení výše zmiňovaných pilek – pilky propadají štěrbinou, kde je umístěn vysokofrekvenční ohřev – pilka se během pádu tímto vysokovýkonným ohřevem zahřeje na kalící teplotu, a dále spadne do vodní lázně, kde se ochladí.
POVRCHOVÉ KALENÉ V ELEKTROLYTU – využívá se pro velké a ploché předměty. V elektrolytické lázni je katoda uhlík, druhá elektroda (anoda) je ten kalený předmět. Zapojíme proud o velké intenzitě (A), proud způsobí že se součást začne zahřívat, během 1 vteřiny se zahřeje na kalící teplotu, pak se proud vypne. Voda, která tvořila plynný obal při elektrolýze vody, se po vypnutí dostane do přímého kontaktu s kaleným materiálem, a zchladí se – zakalí. Před 20-ti lety se ohřívala voda na kávu tak, že se do vody daly dva dráty spojené se zásuvkou rozvodu el. proudu – elektrolytickou metodou se voda takto uvedla do varu.

Zpracování kovů
Rozlišujeme chemické a tepelné zpracování oceli.
1) Mezi tepelné zpracování kovů zařazujeme ŽÍHÁNÍ a KALENÍ.
Při odlévání kovu do ingotu, dochází k znerovnoměrnění struktury (špička ingotu se proto odřízne nebo odsekne a vrací se zpět do šrotu).
Ocel je železo zbavené uhlíku - obsahuje O.7 – 1.9% uhlíku; nejčastěji kolem 1% uhlíku. Abychom docílili, aby ocel byla měkká – dobře opracovatelná, jindy potřebujeme ocel tvrdou, pak chceme ocel houževnatou, zkrátka po ocelích chceme nemožné. Tepelným zpracováním, docílíme splnění těchto rozmanitých požadavků.
Působením tepla upravíme vnitřní strukturu oceli a její vlastnosti, tak, aby fyzikální vlastnosti odpovídaly našim požadavkům. Můžeme tepelnou docílit přemisťování elektronů a vzniku vakancí. Metalurgové předpokládají, že atomy uhlíku v krystalové mřížce oceli jsou v klidu, tzn. můžeme působením tepla dosáhnout jejich přemisťování. Další výhodou je, že železo jako takové má krystalickou strukturu, kterou vlivem teploty měníme. S teplotou se dále mění rozpustnost uhlíku v železe, tzn. můžeme upravovat pomocí teploty, kolik do železa uhlíku vpravíme, kromě uhlíku ocel upravujeme přísadovými prvky.
Pomocí diagramu železo uhlík, můžeme sledovat změnu vlastností oceli. Tato změna vlastností bude záviset na teplotě.
Jak se měří teplota železa? Teplotu odhaduje, podle vyřazované barvy – z té ohřívané části té oceli.
Kolem 550°C má železo červenohnědou barvu. Při zahřívání postupně ztrácí hnědý odstín, stále je to červenější a červenější – následuje žlutočervená, pak žlutá a končí to bílou barvou. Podle barvy hutníci a kaliči odhadují teplotu. Bílá barva znamená teplotu 1300°C. Ještě než dáme železo na plyn, začne se měnit povrch toho železa a mluvíme o tzv. napouštěcích barvách. Je to barva oxidu železa, tzn. že nejprve má železo povrch žlutobílý, to je t 210°C, pak postupně tmavne žlutá a končí to takovou modrofialovou barvou; t je teplota kolem 300°C. Tyto znalosti může využít i laik při kalení. Při kalení potřebujeme, aby majzlík nebo sekáč, by na ostří tvrdý, dřík aby byl houževnatý a hlavu musí mít měkkou, můžeme pak sekat i železo. To byly metody nejméně přesné, byly používány v historii.
Dále existují kontaktní teploměry – rtuťový, do 1 000°C je možno měřit rtuťovým teploměrem.
Pak jsou to bimetalické teploměry, bimetal znamená dvojkov (teplotou se ohýbá, nebo narovnává a pohybuje tak ručkou měřidla),
Pyrometry – měřidla velmi vysokých teplot, jsou distanční; princip je v tom, že máme tubus, tam je objektiv a okulár, uvnitř je vlákno – napříč tubusu, vlákno je zahříváno procházejícím proudem z baterie, proud ohřívající vlákno je regulován potenciometrem; když měřím, tak prohlížím vlákno, současně s kovem jehož teplotu měřím, vlákno je ohříváno proudem z baterie a otáčím knoflíkem potenciometru tak dlouho, až barva vlákna (rozuměj teplota vlákna) splyne s barvou (=teplotou) kovu, na který se dívám. Na stupnici potenciometru čtu výslednou teplotu. Vypadá jako baterka s rukou.
Operace tepelného zpracování.
1) ŽÍHÁNÍ – je to snaha o dosažení co nejjemnější a nejrovnoměrnější struktury. Provádí se takovým způsobem, že materiál zahřejeme na žíhací teplotu, odpovídající danému složení. Záleží na procentuálním složení železa a uhlíku. Je to rozmezí teplot 700 – 910 °C, necháme tento ohřívaný materiál určitou dobu na této teplotě, tak dlouho aby se celé těleso prohřálo a mohly proběhnout všechny krystalické přeměny. Poté následuje pomalé ochlazování. Některé materiály jen vytáhneme a necháme vychladnout na vzduchu. Někdy to necháme pomalu chladnou v té žíhací peci. Žíháním dosáhneme především :
a) odstraníme vnitřní pnutí, materiál se stane rovnoměrným,dosáhne se snížené tvrdosti, materiál se stane měkkým. To se dělá např. po svařování, aby materiál nepraskl mimo svár. Teplota sváru je při svařování plynem acetylen-kyslík 2500°C . Při sváření elektrickým obloukem je teplota sváženého materiálu 4 000 – 5 000°C.
Svařování bodové – je typ elektrického svařování plechů (výroba automobilových karoserií), kdy je materiál silně stlačen k sobě, a pak projde materiálem proud o velké intenzitě el. proudu
b) dále se žíhání provádí z důvodů, abychom dosáhli nízké tvrdosti materiálu (výroba nádobí – hrnce , kastroly), materiál se zahřeje na teplotu, která zaručí velkou tažnost, pak se z tohoto materiálu vyrobí nádobí.
Odmagnetování materiálu, změna elektrické vodivosti materiálu
c) Při některých operacích dochází k deformacím krystalů a my žíháním zotavíme krystalickou strukturu – odborná literatura proto tento proces používá termín rekrystalisace. Pokud se ocel odlévá do velkých bloků, tak při určitém způsobu tak ocel při vlévání do formy s sebou strhává vzduch – kyslík se spálí a ostatní plyny zůstávají jako bublinky.
d) Odstranění nežádoucích plynů z materiálu. Např. u mědi zvláště záleží, aby v materiálu nebyly bublinky plynů.
e) Při odlévání odlijeme ingot (ingot je odlitek oceli obvykle do železné formy - kokily), které mají základnu kolem 60 cm a vysoké jsou asi 2m, do této formy se ocel nalije a nechá se vychladnout. Takto vzniklé bloky (kokily) se pak dále zpracovávají ve válcovnách (na plechy a dráty). Všechny kokily jsou mírně kuželovité, aby se materiál dobře vyklápěl. Forma (kokila) se musí před odléváním potřít separátorem, grafitem. U odlévaného odlitku je na povrchu jiná teplota než uvnitř odlitku. Proto, aby došlo ke zrovnoměrnění materiálu, tak se ingot žíhá, aby se vnitřní pnutí materiálu odstranilo. Ingoty se vloží do velké pece, ta se zavře a vytopí na určitou teplotu, někdy proces trvá až tři dny, než dojede ke zrovnoměrnění (odstranění vnitřního pnutí) ingotu.
To jsou zhruba důvody, proč žíháme materiál. Žíháním se materiál zjemní, odstraní se vnitřní pnutí, dosáhne se měkkosti materiálu (důležité pro válcování).
Rozlišuje se několik způsobů žíhání.
NORMALIZAČNÍ ŽÍHÁNÍ urychlující způsob u železa.
U litiny, pokud se žíhá, tak se to provádí dvěma způsoby
1) feritizační žíhání, kdy se snažíme dosáhnout rovnoměrného rozmístění uhlíku ve výrobku
2) způsob je temperování jedná se o speciální žíhání u bílé litiny, která má tvrdé strukturní součásti, jejichž složení upravujeme tak, aby převládal temperovaný uhlík – aby materiál byl měkčí a houževnatější. Při pomalém ochlazování má tedy materiál čas aby přešel z jedné krystalizační soustavy do jiné, bude měkčí a dosáhne nejnižší energetické hladiny; snadněji se pak obrábí.
2) opakem žíhání je KALENÍ
Kalení je zachycení nestabilní struktury materiálu, která by za normálních podmínek nemohla existovat. Jedná se o zachycení té struktury, která existuje jen za vyšších teplot. Je to opakovatelný proces, znovu zakalit, popustit (opak kalení) a stále dokola. K tomu, abychom mohli kalit, musí mít ocel tři vlastnosti:
a) musí být kalitelná – tzn. takové vlastnosti, aby mohly vzniknout tvrdé struktury. Při kalení hřebíku, se nic nestane, protože podmínkou kalení je dostatečné množství uhlíku.
b) musí být zakalitelná – je to možnost dosáhnout kalením té nejtvrdší struktury
c) musí být prokalitelná – znamená schopnost materiálu dosáhnout tvrdou strukturu v celém profilu součástky.
KALENÍ se skládá samo o sobě ze dvou úkonů.
a) Ohřev na kalící teplotu, kalící teplota bude záviset na složení materiálu – určitě bude vyšší jak 720°C; to metalurgové zjišťují z diagramu, který se nazývá Fe-C (železo, uhlík) viz přednáška v kopii !
b) OCHLAZENÍ – tím zachytíme struktury, které v materiálu byly za zvýšené teploty.
Po kalení se někdy používá popouštění, které snižuje tvrdost materiálu dosažené kalením, ale jen nepatrně; natolik, aby se zvýšila houževnatost. Když je materiál tvrdý, tak je křehký. Zakalením dosáhneme požadovanou tvrdost – popuštěním snížíme křehkost.
Příklad – majzlík jeho břit zakalíme na 900 – 1 100°C, aby se to blížilo té červenožluté barvě, aby byl tvrdý, ale dřík naopak popustíme, aby byl houževnatý (měkčí). Využijeme schopnosti materiálu, že je zbarven na určitou barvu při určité teplotě. Materiál pomalu zahříváme, až dosáhneme barvy žluté 210°C a ochladíme.
Výrobek se ohřeje, pak se ochladí po vyjmutí z vody pozorujeme nabíhání barev. Při dosažení určité barvy = teploty 200°C, výrobek celý zchladíme. Jde o tzv. LOMENÉ KALENÍ.
Kalení může být dějem izotermickým, nebo anisotermickým.
Isotermický děj se nazývá IRA (Izotermický rozpad austenitu) nebo ARA (anisotermický rozpad austenitu). Alotropická modifikace železa se nazývá austenit. V diagramu , kde na ose x je čas, a na ose y jsou stupně °C, vznikají tzv. S-křivky. Nejnižší teplota kalení je 723°C v diagramu je austenit, martenzit, ferrit a sorbit. Snažíme se, aby rychlost kalení nezasáhla nos tohoto esíčka, kde jsou nežádoucí struktury materiálu – viz psané přednášky !!! . Nejrychleji ochlazuje voda, pomalejší je olej a nejpomalejší je vzduch. Rychlost ochlazování může zrychlit buď prouděním vody, nebo pohybem předmětu ve stojící vodě. Do vody např. přidáme sůl, to rychlost chlazení sníží, protože dna povrchu předmětu se utvoří vrstvička (třeba té soli) a tím se sníží kontakt předmětu s chladivem. Kalením musí projít tzv. částí martenzitu v diagramu, které je někdy i pod bodem mrazu ( v tom případě musí být v chladicí vodě nějaká sůl, snižující bod tvorby ledu, nebo se musí v tomto případě chladit jiným chladivem. Existuje i tzv. MRAŽENÁ OCEL.
Kalením se získá tvrdý materiál, žíháním měkký materiál.
3) další operací tepelného zpracování oceli je POPOUŠTĚNÍ a ZUŠLECHŤOVÁNÍ. Tuto operaci provádíme na tvrdých zakalených materiálech, tak abychom snížili tvrdost=křehkost a zvýšili houževnatost.
Zakalený materiál zahřejeme na 200 – 540 °C, tak aby tvrdost nezmizela, proto tak nízká teplota. Pak se materiál pomalu ochlazuje. Tento ohřev bývá rozdělen do čtyř teplotních polí :
a) Popouštění se dělá u dlát, majzlíků, sekáčů na železo, doma se dá provádět pouze první stupeň ohřev do 250°C – dáme to do plamene, a místo, kde to chceme popustit objedeme pilníkem. Rozhodujeme se podle napouštěcích barev. Jakmile naběhne žlutá barva- přestaneme s ohříváním.
Pak buď pomalu nebo prudce ochladíme. V tomto případě sekáč je tvrdý a není křehký. To je popouštění a podstatě zušlechťování, ne každá ocel je kalitelná. Např. u ozubených kol a čepů potřebujeme, aby součástka byla na povrchu tvrdá a uvnitř byla houževnatá. Zde nastupuje chemicko tepelné zpracování abychom dosáhli toho, povrch tvrdý, uvnitř houževnatý.
CHEMICKO-TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ
Často se používá v průmyslu. Dochází k sycení povrchových vrstev dalšími prvky. Děje se to za tepla, aby tyto prvky lépe difundovaly do povrchu materiálu. V povrchové vrstvě dochází ke styku těchto prvků se železem, probíhají běžné chemické reakce. Mezi tyto další prvky patří uhlík- sycení povrchových vrstev uhlíkem se říká cementování. Dalším prvkem je dusík – operace se nazývá nitridování. Ostatní prvky se již užívají méně – př. fosfor, síra, chrom, křemík, bor, hliník atd. Některými prvky získáme tvrdou strukturu.
CEMENTOVÁNÍ – povrchové sycení uhlíkem. Materiál se v ochranné atmosféře zahřeje na teplotu 900-1 000°C a za této teploty uhlík nejsnáze proniká do povrchových vrstev materiálu, a to do takové hloubky jakou vyžadujeme. Rychlost pronikání je 0.1mm/hod. Př. čepy se cementují 6-8 hodin, tak aby uhlík pronikl do hloubky 0.5mm. to stačí k tomu, aby povrch byl tvrdý a vnitřek houževnatý. To sycení se děje buď v tuhém prostředí nebo v plynu. Do krabice se nasype dřevěné uhlí, do uhlí se zahrabe součástka, přidají se organické kousky, uzavře se krabice poklicí, zamaže se to vápnem, aby se zabránilo přístupu kyslíku. Krabice se zahřeje na cementovaní teplotu. Pokud by měl k součásti přístup kyslík, pak by povrch zoxidoval. Proces probíhá v cementovaní peci, a krabice se součástmi tam je ponechána potřebnou dobu. Jedná se o velmi dlouhý děj: zahřát, 6-8 hod držet při cementovací teplotě, potom zchlazovat. Jde o práci, která trvá celý den. Toto se nazývá cementování v tuhém prostředí a je realizovatelné v domácích podmínkách.
CEMENTOVÁNÍ V PLYNU – jde o mnohem častější metodu dnes v průmyslu, provádí se v hlubokých pecích (2-3m) o průměru 1.5m a jsou vytápěny, vzhledem nutnosti  regulace teploty elektricky. Do pece se naskládají součástky, nejčastěji se zavěšují na háky. Pak se pec přikrývá těsně víkem – otvorem ve víku je otvor, velký jako palec. Tímto otvorem se do pece kapou tekuté uhlovodíky – v podstatě to bývá nejčastěji petrolej. Jakmile se kapka uhlovodíku dostane do pece, tak se vypaří a rozloží – vzniká tak plynné prostředí, bohaté na uhlík. To se v domácí dílně již dělat nedá. Uhlovodík co se nespálí, uniká malým otvorem z pece, na tom otvoru hoří malý plamínek. Po skončení cementace, nechá se pec chladnout, ne ale zcela. Součástky se vyjmou a rychle je zakalíme. V továrnách, kde jde o dosažení velmi slabou vrstvu cementování se tento proces provádí v TEKUTÉM prostředí. V tomto prostředí jsou zdrojem uhlíku kyanidové soli. Do těchto prostor se jakékoliv exkurse nepouštějí, protože kyanidová sůl je velmi prudký a silný jed. Vytvoří se kyanidová lázeň ve které je hodně uhlíku. Předměty se zahřejí na cementovací teplotu, zhruba 800°C, ponoří se do lázně, tyto předměty, u kterých vyžadujeme tvrdý povrch, ale současně zachovanou houževnatost. Děj trvá asi půl hodiny, a dosáhneme velmi slabou vrstvičku 0.05mm. Pak se součásti vyjmou a musí se z nich pozorně odstranit stopy usazených kyanidových solí a zbytků roztoku kyanidu – opláchne se to vodou a ppak se to neutralizuje.
CEMENTOVÁNÍ je často proveditelná metoda, jednoduše se provádí a dosahuje se tak velmi dobré kvality výrobků. Př. nechceme, aby část součástky byla tvrdá, tak se ta část obalí modrou skalicí – obalená část se necementuje.
NITRIDOVÁNÍ je to sycení povrchu ATOMÁRNÍM dusíkem, molekuly dusíku by se do oceli nedostaly. Reakcí dusíku a železa vznikne nitrid železa, který je velmi tvrdý. Vyrábí se tak nástroje. Nitridování probíhá pouze při 600°C a podmínkou je, aby pec byla plynotěsná. Souvisí s tím vyvíječ atomárního dusíku, který se vyrábí ze čpavku; tím že se čpavek rozkládá na atomární dusík a vodík. Atomy dusíku jsou reaktivní, má tendenci se spojovat v molekuly – proto se musí ihned odvádět do nitridační pece, aby se spojil s ocelí. Rychlost nitridace je 0.1 mm za 10 hodin. I tato slabá vrstvička stojí za vynaloženou námahu a náklady.
Nitridování se také provádí v tekutém prostředí, kdy se nitridování spojuje s cementováním – povrch součásti se sytí jak uhlíkem, tak dusíkem. Proces se nazývá sulfonitridování. Opět se při tomto procesu používají kyanidové soli.
V některých případech potřebujeme zakalit jen velmi malou část součástky. Př. zuby u pilky na železo mají jinou barvu než pilový list. Materiál pilky není nijak zvlášť tvrdý (protože by praskala při práci) tak zakalíme jen zuby pilky. Pilový list do pěti mm nad zuby zahřejeme a rychle ochladíme. Tato metoda se nazývá POVRCHOVÉ KALENÍ. Na kalící teplotu zahřejeme, jen slabší povrchovou vrstvu (ohříváme jen krátce), a pak ochlazením zakalíme. Ohřev se provádí buď plamenem nebo vysokofrekvenčně. Vysokofrekvenční ohřev se v průmyslu provádí velmi často. Př. při kalení výše zmiňovaných pilek – pilky propadají štěrbinou, kde je umístěn vysokofrekvenční ohřev – pilka se během pádu tímto vysokovýkonným ohřevem zahřeje na kalící teplotu, a dále spadne do vodní lázně, kde se ochladí.
POVRCHOVÉ KALENÉ V ELEKTROLYTU – využívá se pro velké a ploché předměty. V elektrolytické lázni je katoda uhlík, druhá elektroda (anoda) je ten kalený předmět. Zapojíme proud o velké intenzitě (A), proud způsobí že se součást začne zahřívat, během 1 vteřiny se zahřeje na kalící teplotu, pak se proud vypne. Voda, která tvořila plynný obal při elektrolýze vody, se po vypnutí dostane do přímého kontaktu s kaleným materiálem, a zchladí se – zakalí. Před 20-ti lety se ohřívala voda na kávu tak, že se do vody daly dva dráty spojené se zásuvkou rozvodu el. proudu – elektrolytickou metodou se voda takto uvedla do varu.


Rovnovážné diagramy Fe-C
Vlastnosti slitin železa, stejně jako vlastnosti jiných materiálů, závisí na jeho metalografické struktuře. Struktura ocelí se vytváří v průběhu krystalizace a mění se po ztuhnutí vlivem překrystalizačních změn. Průběh krystalizace i překrystalizace je závislý na chemickém složení ocelí a na rychlosti ochlazování. Základní informace o těchto přeměnách poskytuje rovnovážný diagram.
Při chladnutí slitiny železa s uhlíkem dochází k vylučování přebytečného uhlíku z tuhého roztoku nad mezí rozpustnosti při dané teplotě buď v podobě cementitu nebo grafitu. Zda dojde k vyloučení cementitu nebo grafitu záleží na:
Obsahu uhlíku
Rychlosti ochlazování (pomalé ochlazování grafit; rychlé cementit)
Existují tedy 2 grafy
železo – cementit , soustava metastabilní (plnou čarou)
železo – grafit, soustava stabilní (čárkovanou čarou)
Diagram Fe – C se zakresluje v souřadnicích teplota[°C] a složení [%]. Uvádí se jen do 7%C.

Spojování materiálů
Materiál spojujeme buď v těstovitém nebo tekutém stavu. Spojování provádíme:
1)Působením tepla – materiál natavíme a spojované materiály se slijí, nebo je působením tepla uvedeme do těstovitého stavu a pak jej prohněteme (kovářské svařování), před 150 lety kdy nebyly k disposici plyny kováři součásti, které potřebovali spojit nahřáli ve výhni až téměř na tavící teplotu, dva pomocníci součásti drželi a kovář do nich tloukl a došlo k prokování – spojení.
2)PÁJENÍ
3)JINÉ SPOJOVÁNÍ - nýtování, zátkování atd.
Všechny tyto spoje jsou nerozebíratelné.
SVAŘOVÁNÍ
Při svařování uvedeme materiál do tekutého stavu, následně jej spojíme a spoj
necháme vychladnout. Materiál do tekutého stavu uvedeme buď nahřáním
plamenem, elektrickým obloukem a nebo třením. Materiál se třením zahříval v historii
to se dělalo v padesátých letech, kdy se tření vyvolávalo pomocí soustruhů, které
se tím však ničily.
Dnes se svařuje převážně elektrickým obloukem nebo pomocí bodového sváru
(karoserie aut se montují pomocí bodových svarů) a pak existují tzv. švové sváření -
podobné bodovému, ale místo elektrod pro bodové sváření jsou zde kladky, kterými
se spojovaný materiál protahuje – vzniká švový svar . Nejúčinnější je svařování
plynem – plamenem.
Potom existuje SLÉVÁRENSKÉ SVAŘOVÁNÍ litina má tu vlastnost – že dlouho je
tvrdá a náhle teče. Dvě součástky se dají k sobě, jsou nějakým způsobem
zaformovány, roztavenou litinu lijeme do otvoru formy a necháme touto litinou dva
konce součástí prohřát a až je to prohřáté, tak se forma zespodu zazátkuje a nechá
se vychladnout. Je to perfektní spojení. Dříve se tak spojovaly